王之棟,唐 偉,馬志剛,李雨宸,楊本勇,李維慶,李永鑫

(1. 四川省國土空間生態(tài)修復(fù)與地質(zhì)災(zāi)害防治研究院,四川 成都 610036; 2. 自然資源部第三地理信息制圖院,四川 成都 610100; 3. 西南財(cái)經(jīng)大學(xué)天府學(xué)院,四川 成都 610066)

高位滑坡是一種從高陡斜坡上部剪出并形成凌空加速墜落的滑坡地質(zhì)災(zāi)害類型,具有撞擊粉碎和動(dòng)力侵蝕效應(yīng),易轉(zhuǎn)化為高速遠(yuǎn)程碎屑流滑動(dòng)或泥石流流動(dòng),往往造成重大地質(zhì)災(zāi)害[1-2]。合成孔徑雷達(dá)干涉測量(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)和激光探測及測距技術(shù)(light detection and ranging, LiDAR)在滑坡隱患識別中已展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力[3-4]。

國內(nèi)外學(xué)者利用雷達(dá)遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害隱患識別領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[5]總結(jié)了InSAR、LiDAR等技術(shù)在地災(zāi)監(jiān)測預(yù)警中的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用發(fā)展;文獻(xiàn)[6—7]在大范圍復(fù)雜山區(qū)利用InSAR技術(shù)進(jìn)行了滑坡形變的識別和測量;文獻(xiàn)[8]利用光學(xué)遙感影像和InSAR技術(shù)分析了新磨村高位滑坡特征,為高位滑坡的成因機(jī)制研究提供了有力的數(shù)據(jù)支撐;文獻(xiàn)[9—10]聯(lián)合多種InSAR技術(shù)和高分辨率光學(xué)遙感影像進(jìn)行滑坡隱患識別,有效提高了識別的準(zhǔn)確度,并降低了漏檢率;文獻(xiàn)[11]利用機(jī)載LiDAR和高分辨率光學(xué)影像數(shù)據(jù)聯(lián)合開展了九寨溝景區(qū)滑坡隱患解譯工作。盡管前期研究已開展了利用遙感技術(shù)的滑坡隱患識別工作,但綜合利用InSAR和LiDAR的滑坡隱患識別工程化解決方案規(guī)模應(yīng)用較少,對高位滑坡隱患地質(zhì)特征的時(shí)空分析不足。

本文首先從InSAR和LiDAR技術(shù)的基本原理出發(fā),提出利用InSAR-LiDAR進(jìn)行高位滑坡隱患識別的工程化解決方案,通過編程獲取九寨溝地區(qū)約4000 km2的56景ALOS-2雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和重點(diǎn)區(qū)域約1840 km2的LiDAR數(shù)據(jù),開展基于InSAR-LiDAR方法的高位滑坡隱患識別,并進(jìn)行野外調(diào)查驗(yàn)證。然后通過綜合InSAR、LiDAR、光學(xué)遙感、野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)成果,統(tǒng)計(jì)分析高位滑坡隱患的分布規(guī)律和發(fā)育主要影響因素。最后,以中查溝高位滑坡隱患為例,驗(yàn)證基于InSAR-LiDAR識別和分析高位滑坡隱患方法的有效性和準(zhǔn)確性。

1 InSAR-LiDAR識別滑坡隱患

針對九寨溝地區(qū)地表形變特征和不同InSAR數(shù)據(jù)處理方法的技術(shù)特點(diǎn),綜合使用差分干涉測量技術(shù)(differential InSAR, D-InSAR)和小基線集干涉測量技術(shù)(small baseline subset InSAR, SBAS-InSAR)識別不同變形尺度的滑坡隱患[12-13],并在重點(diǎn)區(qū)域利用LiDAR獲取高精度數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像(DOM)。通過聯(lián)合多種InSAR和LiDAR數(shù)據(jù)成果對形變區(qū)進(jìn)行綜合判讀,提高對高位滑坡隱患的識別率。

從早期識別來看,高位滑坡隱患高差大,剪出口位置高,具有超視距隱蔽性,其發(fā)育特征與地形地貌、地層巖性、降水等多種因素相關(guān)。綜合利用InSAR、LiDAR對高位滑坡隱患進(jìn)行前兆識別分析,在評估成災(zāi)狀況、形變趨勢及致災(zāi)形勢等方面發(fā)揮重要作用。本文通過空-天-地一體化識別的方法[14]探測高位滑坡隱患:①利用InSAR技術(shù)獲取地表形變“靶區(qū)”,初步圈定滑坡隱患形變范圍,并計(jì)算得到滑坡形變區(qū)歷史形變和活動(dòng)階段,在廣域尺度內(nèi)圈定滑坡隱患點(diǎn)位;②利用LiDAR和高精度光學(xué)遙感影像進(jìn)行高位滑坡體的廣義形態(tài)調(diào)查,研究高位滑坡形成和發(fā)育的地質(zhì)背景、三維形體、地表覆被變化等[15],分析滑坡隱患高程、形態(tài)特征、形變分區(qū)和巖體結(jié)構(gòu)等,篩選確定地災(zāi)隱患點(diǎn);③交叉驗(yàn)證InSAR與LiDAR識別成果,并通過剪出口位置、隱患點(diǎn)高差等特征初步篩選出高位滑坡隱患風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),并對其當(dāng)前形變狀況、潛在發(fā)展趨勢及致災(zāi)形勢進(jìn)行評判;④綜合形變速率、形態(tài)特征和地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等專業(yè)地質(zhì)資料,開展野外實(shí)地調(diào)查,分析區(qū)域環(huán)境與地質(zhì)條件、災(zāi)害分區(qū)特征、成災(zāi)模式等,最終確定高位滑坡隱患點(diǎn)[16]。空-天-地一體化識別流程如圖1所示。

圖1 InSAR-LiDAR滑坡隱患識別流程

2 InSAR-LiDAR高位滑坡隱患識別成果

編程獲取了2017年12月—2020年10月九寨溝地區(qū)分辨率為3 m的ALOS-2影像,共56景。其中升降軌分別32景和24景,覆蓋了九寨溝地震重點(diǎn)區(qū)域范圍(Ⅶ度及以上烈度區(qū))約4000 km2;2018年8月—2020年6月,在研究區(qū)內(nèi)獲取了面積為1840 km2、點(diǎn)云密度為20點(diǎn)/km2的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)和地面分辨率為0.2 m的航空影像數(shù)據(jù)。

利用InSAR-LiDAR方法在九寨溝地區(qū)約4000 km2的范圍內(nèi)共篩查出高位滑坡隱患114處,識別出的滑坡隱患成果及部分典型InSAR和LiDAR識別成果如圖2所示。其中,利用InSAR技術(shù)共篩查出高位滑坡隱患86處,利用LiDAR技術(shù)在九寨溝地災(zāi)隱患識別重點(diǎn)地區(qū)(約1840 km2的范圍)內(nèi)識別出高位滑坡隱患28處。InSAR和LiDAR成果中均有形變特征的高位滑坡隱患共21處。SBAS-InSAR成果顯示2017年12月—2020年9月九寨溝地區(qū)沿視線方向形變速率范圍為-149～120 mm/a。利用InSAR、LiDAR手段識別的滑坡隱患多位于坡度為30°～60°的斜坡上,覆蓋植被類型多為灌木,主要集中分布在九寨溝景區(qū)、漳扎鎮(zhèn)、黑河鎮(zhèn)、雙河鎮(zhèn)等區(qū)域。

為驗(yàn)證利用InSAR-LiDAR識別(高位)滑坡隱患的準(zhǔn)確率,本文自2018—2020年分3年開展了野外調(diào)查驗(yàn)證工作,共查證高位滑坡隱患56處,整體調(diào)查率為49.9%。其中,高位滑坡隱患中明顯形變共34處,高位滑坡隱患輕微形變18處,未見明顯形變4處,整體形變識別準(zhǔn)確率為92.9%。

3 高位滑坡隱患時(shí)空分析

3.1 高位滑坡隱患影響因素及分布規(guī)律

基于InSAR-LiDAR方法得到的高位滑坡隱患識別數(shù)據(jù),結(jié)合野外實(shí)地核查成果,提取九寨溝地區(qū)114處高位滑坡隱患的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及斜坡結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)資料,對其發(fā)育與分布特征進(jìn)行分析。

3.1.1 地形地貌

(1)地貌?；碌姆植寂c地貌類型密切相關(guān),由于研究區(qū)內(nèi)地貌類型為深切割地貌,峽谷兩岸地勢陡峭,斜坡高差大,有良好的臨空條件,且斜坡受流水長期侵蝕,風(fēng)化強(qiáng)烈,是高位滑坡易發(fā)區(qū)。根據(jù)地貌類型統(tǒng)計(jì),研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的高位滑坡隱患主分布于構(gòu)造侵蝕高山河谷地貌類型中,共發(fā)育49處,占比為43.0%;其次為高山冰川谷地地貌,發(fā)育36處,占比為31.6%。

(2)坡度。滑坡的發(fā)育受坡度的影響較大,斜坡坡度越大,臨空條件越發(fā)育,斜坡越容易產(chǎn)生變形破壞。大于60°的陡崖易形成崩塌,隨著坡度的減緩,崩塌數(shù)量降低,滑坡數(shù)量增加;當(dāng)陡坡轉(zhuǎn)變?yōu)榫徠?滑坡發(fā)生率逐漸降低至不再發(fā)生。

由圖3(a)可知,九寨溝地區(qū)高位滑坡隱患主要集中在斜坡35°～45°之間,共46處,占比為40.4%,在35°～40°之間達(dá)到峰值,符合高位滑坡隱患發(fā)育的普遍規(guī)律[17]。

圖3 高位滑坡隱患分布與坡度、坡向、高差關(guān)系

(3)坡向。斜坡坡向由于日照輻射、空氣流動(dòng)等差異,導(dǎo)致地表水蒸發(fā)量不同,進(jìn)而影響基巖風(fēng)化程度、植被覆蓋等坡體凝聚力因素,從而對高位滑坡隱患的發(fā)育產(chǎn)生影響。根據(jù)圖3(b)可知,九寨溝地區(qū)高位滑坡隱患主要發(fā)育在NE至SE范圍內(nèi),其中E方向最為集中,這與文獻(xiàn)[18—19]得出的九寨溝地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害空間分布規(guī)律一致,驗(yàn)證了滑坡隱患在坡向上受到“背坡面效應(yīng)”和“斷層錯(cuò)動(dòng)方向效應(yīng)”的影響。

(4)高差。通過InSAR技術(shù)得到的通常是滑坡源區(qū)的地表形變,而滑坡源區(qū)的高差,利用重力勢能為滑坡的發(fā)育提供必要條件。高位滑坡源區(qū)高差越大則其重力勢能越大,轉(zhuǎn)化為具有撞擊粉碎效應(yīng)和動(dòng)力侵蝕效應(yīng)的高位遠(yuǎn)程滑坡的可能性越大。如圖3(c)所示,九寨溝地震重點(diǎn)區(qū)域有近60%的高位滑坡隱患集中在100～350 m,高差超過1000 m的高位滑坡隱患有4處,但其滑坡源區(qū)形變量均小于8 mm/a,形變區(qū)以淺層崩滑為主。

3.1.2 地層巖性

巖土體為地質(zhì)災(zāi)害的活動(dòng)主體,不同巖土體具有不同的物理、力學(xué)及水理性質(zhì),故其與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系亦各不相同。九寨溝地區(qū)內(nèi)出露地層從老到新主要有泥盆系雪寶頂組、石炭系西溝組、二迭系三道橋組、三疊系菠茨溝組、扎尕山組、雜谷腦組、侏倭組、特殊地層塔藏組、第三系地層(E)、第四系(Q)等。根據(jù)地層巖性統(tǒng)計(jì),研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的高位滑坡主要發(fā)育于第四系(Q)松散堆積層中,共發(fā)育91處,占比為79.8%;巖質(zhì)高位滑坡主要發(fā)育在三疊系雜谷腦組(T2z)地層中,共發(fā)育13處。

3.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于秦嶺東西向構(gòu)造帶南緣的松潘—甘孜造山帶東側(cè),南與龍門山北東向構(gòu)造帶相鄰,三級不同方向構(gòu)造線形成向南凸出的弧形彎曲,而九寨縣城即處在構(gòu)造線彎曲的頂端,并主要受南北向構(gòu)造斷裂控制。區(qū)內(nèi)構(gòu)造總體上表現(xiàn)為傾向北且形態(tài)較復(fù)雜的復(fù)向斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)巖層褶曲強(qiáng)烈,巖層破碎,構(gòu)造裂隙發(fā)育。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造統(tǒng)計(jì),九寨溝地區(qū)內(nèi)高位滑坡隱患密集分布于獨(dú)路巖—陵江鄉(xiāng)、刀切加—白馬鄉(xiāng)一線的主干斷裂及其支斷裂兩側(cè),共分布高位滑坡隱患89處,占比為78.1%,宏觀上具有十分明顯地沿?cái)嗔褞С示€狀分布的特征。

3.1.4 斜坡結(jié)構(gòu)

研究區(qū)內(nèi)斜坡結(jié)構(gòu)類型主要為土質(zhì)斜坡、順向坡、逆向坡、斜向坡、橫向坡。其中,土質(zhì)斜坡分布區(qū)高位滑坡隱患發(fā)育最為廣泛,共發(fā)育88處,占比為77.2%;巖質(zhì)斜坡中僅發(fā)育滑坡15處,占比為13.2%,且均發(fā)育于層狀巖體中,塊狀結(jié)構(gòu)巖體中無滑坡發(fā)育;巖質(zhì)滑坡中,順向坡內(nèi)滑坡最發(fā)育,共有9處,占巖質(zhì)滑坡總數(shù)的60%;其次為斜向坡,逆向坡區(qū)共發(fā)育高位滑坡6處,占比為40%;逆向坡和橫向坡內(nèi)無滑坡發(fā)育。

3.2 中查溝高位滑坡隱患InSAR-LiDAR時(shí)空分析

為驗(yàn)證利用InSAR-LiDAR方法識別高位滑坡隱患的有效性和準(zhǔn)確性,在九寨溝地震震中漳扎鎮(zhèn)選取一處潛在威脅較大的高位滑坡隱患作為典型,并進(jìn)行時(shí)序分析。

3.2.1 高位滑坡隱患基本情況

中查溝高位滑坡隱患位于九寨溝縣漳扎鎮(zhèn)西南方向的中查溝西側(cè)斜坡地帶,該滑坡為一古滑坡堆積體,滑坡平面形態(tài)呈舌狀。如圖4所示,滑坡區(qū)后源高程2900 m,剪出口段高程2411 m,滑坡區(qū)相對高差489 m,剖面形態(tài)呈階梯狀,平均坡度30°;滑坡堆積體長1135 m,寬度為500～720 m,平均寬度約620 m,平面面積約0.67 km2,據(jù)收集資料和地形推測滑體厚度為10～25 m,平均厚度約15 m,滑坡體積約1.005×107m3,為一特大型古滑坡?；麦w物質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化基巖層、塊石土和第四系風(fēng)成堆積物(Q4esl), 表部為風(fēng)成堆積層,主要成分為粉質(zhì)黏土,滑床為三疊系雜谷腦組地層(T3z), 巖性主要為灰綠色中-厚層狀凝灰質(zhì)砂巖、巖屑石英砂巖,含少量板巖。

圖4 中查溝高位滑坡隱患示意

3.2.2 高位滑坡隱患InSAR-LiDAR識別解譯

對2017年12月—2020年10月的32景ALOS-2升軌雷達(dá)衛(wèi)星影像進(jìn)行時(shí)序InSAR處理,獲取雷達(dá)視線方向的平均形變速率,如圖5所示。根據(jù)時(shí)序InSAR識別結(jié)果分析可知,中查溝高位滑坡隱患總體存在兩處較為明顯的形變區(qū)域,分別位于滑坡體的一級和二級平臺(tái)下緣,滑坡壁的大部分區(qū)域由于失相干的影響未能獲取到有效InSAR測量點(diǎn),滑坡體剪出口區(qū)域在監(jiān)測時(shí)間區(qū)間內(nèi)未觀測到明顯形變信號。

圖5 中查溝高位滑坡隱患地表形變速率

根據(jù)前人研究結(jié)論,對于L波段數(shù)據(jù),沿視線方向形變速率大于8 mm/a時(shí)可認(rèn)為斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)[20]。ALOS-2時(shí)序成果中,84%以上的測量點(diǎn)形變速率絕對值小于8 mm/a,說明大部分區(qū)域較為穩(wěn)定。位于滑坡體一、二級平臺(tái)的形變區(qū),最大形變速率為66.5 mm/a(升軌視線方向)。分別在一、二級平臺(tái)選取一個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行時(shí)序分析,如圖6所示,其中滑坡體一級平臺(tái)P1點(diǎn)累計(jì)形變量為185.5 mm,年平均速率為62.5 mm/a,滑坡體二級平臺(tái)P2點(diǎn)累計(jì)形變量為138 mm,年平均速率為47.6 mm/a。

圖6 基于SBAS-InSAR的樣點(diǎn)形變速率和累計(jì)形變量

為獲取中查溝高位滑坡隱患的“形態(tài)”特征,結(jié)合LiDAR和高分辨率光學(xué)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行識別和解譯。在該區(qū)域利用LiDAR數(shù)據(jù)生成0.5 m分辨率的DEM,如圖7所示。

分析可知,中查溝高位滑坡隱患為一處特大型古滑坡,斜坡坡面近似為階梯形,上陡下緩,滑坡體發(fā)育多處不同期次的次級滑坡,存在多級緩坡平臺(tái)。后緣至山脊線的滑坡壁平直陡峭,巖體風(fēng)化程度較高,形成多處倒石錐,滑坡壁分布在高程在2720 m以上,平均坡度約46°;滑坡體中部發(fā)育沖溝,二級平臺(tái)前緣為陡坎,裂縫發(fā)育,最長達(dá)150 m;中部陡坎左側(cè)發(fā)育一處圈椅狀滑坡,邊界清晰,前緣平緩處修建有道路;中部陡坎右側(cè)存在一處不穩(wěn)定斜坡,斜坡發(fā)育裂縫,影響穩(wěn)定性;滑坡體前緣鼓脹,擠壓河道,河道發(fā)生彎曲轉(zhuǎn)向,并存在局部滑塌。

3.2.3 高位滑坡隱患分區(qū)特征

基于InSAR、LiDAR數(shù)據(jù)成果,結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查對滑坡進(jìn)行綜合分析,按照地形特征及要素特征將滑坡分為:滑坡壁、一級平臺(tái)、中部變形區(qū)和前緣堆積區(qū),滑坡體全貌如圖8所示。

圖8 中查溝高位滑坡隱患全景

(1)Ⅰ區(qū)(滑坡壁)特征?；卤诟叱?720～2900 m,高差180 m,呈脊頂單斜結(jié)構(gòu),斜坡較陡,母巖地層為三疊系下統(tǒng)雜谷腦組(T1z),巖性為灰綠色中-厚層狀凝灰質(zhì)砂巖、巖屑石英砂巖,含少量板巖,產(chǎn)狀為252°～265° ∠35～53°。巖體呈強(qiáng)風(fēng)化,左側(cè)區(qū)域山脊處有局部垮塌現(xiàn)象,如圖9(a)所示。

圖9 現(xiàn)場調(diào)查照片

(2)Ⅱ區(qū)(后緣一級平臺(tái))特征。堆積體后緣形成一緩坡平臺(tái),高程2664～2720 m,高差56 m,斜坡傾角10°～15°,平臺(tái)寬386 m,沿坡向長120 m,主要是滑坡堆積體,表層為黃土,下部為塊狀碎石土。從InSAR、LiDAR數(shù)據(jù)成果和現(xiàn)場調(diào)查得知,該區(qū)域無明顯形變跡象。

(3)Ⅲ區(qū)(中部形變區(qū))特征。中部形變區(qū)形態(tài)呈矩形,高程2482～2664 m,高差182 m,寬684 m,沿坡向長371 m,坡形為階梯狀,后緣和前緣陡峭,中部平緩。坡體中部發(fā)育一條沖溝,按形變特征和穩(wěn)定性又將該區(qū)劃分為中部陡坡(Ⅲ-1區(qū)、Ⅲ-3區(qū))和中部二級平臺(tái)(Ⅲ-2區(qū))3個(gè)亞區(qū)。中部陡坡(Ⅲ-1區(qū)、Ⅲ-3區(qū))分別發(fā)育有3處次級滑體,邊界清晰,裂縫發(fā)育。如圖9(b)所示,中部陡坎下部修建有擋墻,擋土墻可見多處外突變形,格構(gòu)梁局部錯(cuò)斷,出現(xiàn)多條拉張裂縫,寬約5～10 cm不等。InSAR時(shí)序成果顯示,中部的次級滑體在震后表現(xiàn)為快速線性形變,2019年6月后形變速率有明顯降低,中部陡坎(Ⅲ-3區(qū))下緣擋墻在一定程度上穩(wěn)固了該區(qū)域。 如圖9(c)所示,中部陡坎存在斜坡坡體下錯(cuò),前緣下錯(cuò)約1～1.5 m,后部下錯(cuò)約10～30 cm。坡體后部出現(xiàn)拉張裂縫,長約40～45 m,拉開寬度約5～20 cm,裂縫走向基本與坡向垂直。

(4)Ⅳ區(qū)(前緣堆積區(qū))特征。二級平臺(tái)前緣至中查溝為滑坡前緣堆積區(qū),該區(qū)平面呈矩形,寬421 m,沿坡體長527 m,高程為2411～2482 m,高差71 m,修建有酒店和道路,部分道路存在拉裂縫。如圖9(d)所示,該區(qū)存在一次級滑塌區(qū),次級滑體平面呈舌狀,后緣有圈椅狀陡坎,前緣局部滑塌。

4 結(jié) 語

本文在“8·8”九寨溝強(qiáng)震區(qū)實(shí)踐了基于空-天-地一體化的InSAR-LiDAR高位滑坡隱患識別方法,分析了九寨溝強(qiáng)震區(qū)高位滑坡隱患的發(fā)育和分布特征,并開展了基于InSAR-LiDAR方法的高位滑坡隱患時(shí)空分析,驗(yàn)證了綜合利用InSAR、LiDAR技術(shù)識別分析高位滑坡隱患的準(zhǔn)確性和可靠性,可為滑坡隱患的防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)和參考。

致謝：感謝日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)提供ALOS-2數(shù)據(jù),感謝四川測繪地理信息局測繪技術(shù)服務(wù)中心、四川省國土空間生態(tài)修復(fù)與地質(zhì)災(zāi)害防治研究院、四川省地質(zhì)調(diào)查院提供的幫助和支持。